(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のスタックと連結された冷却水の流入口及び流出口が備えられたハウジングと、
前記ハウジング内に昇降移動可能に設置されて、前記流入口を通じて前記ハウジング内に入る蒸気圧により一方向に移動され、前記ハウジング内に満たされた冷却水を前記流出口を通じて前記スタック側に送る移動板と、
前記移動板に対して前記蒸気圧に対向する方向に弾性力を提供する弾性部材と、
を備えることを特徴とする、燃料電池の熱交換器。
【請求項２】
前記移動板に対して前記蒸気圧が作用する側の空間と前記弾性力が作用する側の空間との間で前記冷却水が往来しないように双方の空間を隔離させる隔離手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の熱交換器。
【請求項３】
前記隔離手段は、前記移動板の周縁に装着され、前記移動板と前記ハウジングの内壁との隙間を塞ぐＯリングからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の熱交換器。
【請求項４】
前記隔離手段は、前記移動板に対して前記弾性部材による弾性力が作用する空間を覆うダイヤフラムからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の熱交換器。
【請求項５】
前記隔離手段は、前記弾性部材を取り囲むベローズ・チューブからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の熱交換器。
【請求項６】
前記ハウジング内には、前記スタックを循環する冷却水との熱交換のための２次冷却水の流路が設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池の熱交換器。
【請求項７】
前記ハウジングの前記弾性部材の配置された側の空間には、前記移動板に対して大気圧が作用できるように通気孔が形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池の熱交換器。
【請求項８】
前記ハウジング及び前記移動板は、ステンレス鋼、ゴム及びポリマーから選択されたいずれか１つの材質からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池の熱交換器。
【請求項９】
前記弾性部材は、前記移動板の全体移動区間にわたって弾性力を提供する第１バネと、前記移動板が前記蒸気圧の作用する方向に所定距離以上移動するときから弾性力を提供する第２バネと、から構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の熱交換器に関し、特に、燃料電池の発熱量による冷却水の水位調節が機械的に自動制御され得る熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを、化学反応により直接電気エネルギーに変える装置であって、燃料が供給されるかぎり、引続き電気を生成できる一種の発電装置である。図１は、このような燃料電池のエネルギー転換構造を概略的に示す図面であって、図１に示すように、カソード１に酸素を含む空気が、アノード３に水素を含有した燃料が供給されれば、電解質膜２を通じて水の電気分解と逆反応が行われつつ電気が発生する。ところが、通常的に、このような一つの単位セル４から発生する電気は有用に使用されるほど、その電圧が高くないため、図２に示すように、いくつかのセル４を直列に連結したスタック１０の形態として使用する。
【０００３】
一方、このような電気化学反応過程では、電気だけでなく、熱も共に発生するため、燃料電池の円滑な稼動のためには、この熱を引続き冷却する必要がある。したがって、燃料電池には、図２のような熱交換器２０が共に備えられている。図２に示すように、燃料電池の各単位セル４には、熱交換用冷却水が通過するための流路４ａが形成されており、この流路４ａを通過しつつ、冷却水がスタック１０内の熱を吸収し、このように熱を吸収した冷却水は、熱交換器２０内で２次冷却水により冷やされた後、再びスタック１０の流路４ａに循環する。
【０００４】
このとき、冷却水の循環は、別途の動力源によって行われるものではなく、冷却水が周辺の熱を吸収して沸騰しつつあふれ出る自然対流現象により行われる。例えば、図３のように、流路４ａ内に冷却水が適正な水位を維持しつつ満たされている場合、冷却水が熱を吸収すれば、気泡が発生しつつ冷却水が沸騰してあふれ、このように沸騰してあふれた冷却水が熱交換器２０に移動して、２次冷却水によって冷却された後、再びスタック１０に送られる。
【０００５】
ところが、燃料電池を使用すれば、最初に設計された負荷より低い負荷で使用される場合も発生する。これは、通常、部分負荷運転と称する状況であって、電気を消耗する負荷が設計値より低くかかった状態で燃料電池が使用される状態を言う。この状況では、発熱量も減少するため、冷却水が吸収する熱量も自然に減る。これにより、冷却水が十分に沸騰してあふれないため、冷却水の対流が円滑に行われないという問題が生じる。
【０００６】
したがって、この問題を解決するために、従来には、熱交換器２０に入る冷却水の温度をセンサー３０で測定して、設計値より冷却水の温度が低い場合、すなわち、部分負荷運転状況であると測定される場合に、熱交換器２０の出口側のソレノイドバルブ４０を閉じて、スタック１０内の冷却水の温度が循環に適するまで上昇するように冷却作業を保留する制御方式が採用されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２９６０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、以上のような従来の手法では、冷却水の温度が十分に上昇するまでスタック１０内で冷却水があふれずに、上昇及び下降だけを繰り返す揺動が発生するため、結局、スタック１０内で冷却水に長時間接触できない領域が発生する。これにより、当該領域が過熱蒸気に長時間露出されるので、熱耐久性が著しく低下する。
【０００９】
また、上記従来の手法では、温度を測定するためのセンサー３０、流路を開閉するためのソレノイドバルブ４０、更にはこれらを制御するためのコントローラ（図示せず）などの複雑な制御用装置を追加しなければならないという短所もある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、更に簡素化した構造を有し、かつ部分負荷運転状況でスタック内の熱安定性を確保することが可能な、新規かつ改良された燃料電池の熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料電池のスタックと連結された冷却水の流入口及び流出口が備えられたハウジングと、前記ハウジング内に往復移動可能に設置されて、前記流入口を通じて前記ハウジング内に入る蒸気圧により一方向に移動され、前記ハウジング内に満たされた冷却水を前記流出口を通じて前記スタック側に送る移動板と、前記移動板に対して前記蒸気圧に対向する方向に弾性力を提供する弾性部材と、を備える燃料電池の熱交換器が提供される。
【００１２】
ここで、前記移動板に対して前記蒸気圧が作用する側の空間と前記弾性力が作用する側の空間との間で前記冷却水が往来しないように双方の空間を隔離させる隔離手段を更に備えるものであってもよい。
【００１３】
また、前記隔離手段は、前記移動板の周縁に装着され、前記移動板と前記ハウジングの内壁との隙間を塞ぐＯリングからなるものであってもよい。
【００１４】
また、前記隔離手段は、前記移動板に対して前記弾性部材による弾性力が作用する空間を覆うダイヤフラムからなるものであってもよい。
【００１５】
また、前記隔離手段は、前記弾性部材を取り囲むベローズ・チューブからなるものであってもよい。
【００１６】
また、前記ハウジング内には、前記スタックを循環する冷却水との熱交換のための２次冷却水の流路が設けられるものであってもよい。
【００１７】
また、前記ハウジングの前記弾性部材の配置された側の空間には、前記移動板に対して大気圧が作用できるように通気孔が形成されたものであってもよい。
【００１８】
また、前記ハウジング及び前記移動板は、ステンレス鋼、ゴム及びポリマーから選択されたいずれか１つの材質からなるものであってもよい。
【００１９】
また、前記弾性部材は、前記移動板の全体移動区間にわたって弾性力を提供する第１バネと、前記移動板が前記蒸気圧の作用する方向に所定距離以上移動するときから弾性力を提供する第２バネと、から構成されるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、既存の熱交換器のように、センサー、バルブ及びコントローラなどの複雑な電子装置を追加することなく、全体負荷運転時と部分負荷運転時との発熱量差により表れる異なる状況を自動的に調節でき、全体負荷運転時と部分負荷運転時の双方において燃料電池を最適に冷却することができる。また、部分負荷運転時に燃料電池内で過熱蒸気に長時間接触する領域が殆どなくなるため、燃料電池スタックの寿命を延長できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２２】
図４は、本発明の一実施形態に係る燃料電池用熱交換器１００を示す図面である。図４に示すように、本実施形態の熱交換器１００には、燃料電池のスタック１０内に設けられた流路４ａに沿って循環する冷却水の流入口１１１及び流出口１１２が設けられたハウジング１１０と、このハウジング１１０内に昇降移動可能に設置された移動板１２０と、移動板１２０が上昇する方向に弾性力を加える弾性部材としてのバネ１３０とが備えられている。
【００２３】
前記移動板１２０は、流入口１１１に入った冷却水が満たされるハウジング１１０の内部空間の底面の役割を行い、その上側には、スタック１０から流入される蒸気の圧力を受け、下側では、通気孔１１３を通じて作用する大気圧と共に前記バネ１３０による弾性力を受けている。したがって、上側の蒸気圧と下側の弾性力及び大気圧とが平衡をなす位置で、移動板１２０は停止した状態を維持する。参照番号１４０は、移動板１２０とハウジング１１０の内壁との間の隙間を密封して、上側と下側とを隔離させるための手段であるＯリングを示す。
【００２４】
このような構造の熱交換器１００で冷却を行いつつ燃料電池を稼動させれば、一旦、全体負荷状態では、スタック１０内で発熱が活発に行われるので、対流が円滑に行われ、ハウジング１１０内に作用する蒸気圧も上昇するので、図５Ａに示すように、バネ１３０がやや圧縮された状態で移動板１２０が平衡状態を維持する。したがって、この状態で冷却水は、ハウジング１１０とスタック１０の流路４ａとの間を循環し、ハウジング１１０を通過する間にコイル状の流路１５０に沿って循環する２次冷却水と熱交換を行う。
【００２５】
その後、部分負荷運転によりスタック１０内の発熱量が減少した状況になれば、ハウジング１１０内に作用する蒸気圧も低減する。これにより、バネ１３０及び大気圧と力の平衡をなし、移動板１２０を上側から押さえていた圧力が相対的に弱くなるため、図５Ｂに示すように、移動板１２０がさらに上昇する。これにより、底面になる移動板１２０から流出口１１２までの水位が低くなって、さらに多量の冷却水がスタック１０の流路４ａ側に送られる。したがって、スタック１０内の各セルに満たされる冷却水の水位が高くなって、少ない発熱量でも冷却水がすぐ沸騰してあふれて、熱交換器１００のハウジング１１０側に移動できる。そして、このように冷却水の循環が円滑になれば、スタック１０内で過熱蒸気に長時間露出される領域もほとんどなくなるため、スタック１０の安定性も確保できる。
【００２６】
換言すれば、本構成の熱交換器１００は、従来のように温度を測定し、コントローラでバルブの開閉を制御しつつ冷却水の循環状態を調節するものではなく、蒸気圧とバネ１３０、大気圧との機械的な力の平衡状態が維持されつつ、自然に水位を調節するものである。したがって、既存のように、センサー、バルブ及びコントローラなどの複雑な電子装置を追加せずとも、全体負荷運転時と部分負荷運転時との発熱量差により表れる状況を自動的に調節できる。
【００２７】
一方、ここで、移動板１２０が全体負荷運転状態と部分負荷状態との間で移動する距離ΔＸを設定するときには、次のような式を利用する。
ΔＦ＝ｋ・ΔＸ＝Ａ（Ｐｈ−Ｐａｔｍ）
（Ｆ：作用力、ｋ：バネ弾性係数、Ａ：移動板の面積、Ｐｈ：蒸気圧、Ｐａｔｍ：大気圧）
上式により、ΔＸを導き出すことができる。
【００２８】
そして、ハウジング１１０と移動板１２０とは、耐熱性に優れたステンレス鋼やゴムやポリマーなどから製造することが望ましい。
【００２９】
次いで、図６は、本発明の他の実施形態に係る熱交換器１００’を示す図面である。図面において、前述の実施形態と同じ参照符号を付した構成要素は、前述の実施形態と同じ機能の部材を示す。
【００３０】
本実施形態の熱交換器１００’も、移動板１２０を挟んで蒸気圧と弾性部材の弾性力、大気圧とが平衡をなしつつ水位を調節する基本構造は同じである。ただし、ここでは、
前述の実施形態のように、一つの弾性部材のみを設けたのではなく、第１バネ１３１と第２バネ１３２とが組み合わせられた二重構造を採択した点に特徴がある。すなわち、第１バネ１３１は、前述の実施形態と同様に、移動板１２０を全体移動領域に対して支持している。そして、第２バネ１３２は、移動板１２０がある程度下降した場合、すなわち、蒸気圧が上昇して、移動板１２０が所定距離を下降したときから移動板１２０に弾性力を加えるように配置されている。これは、発熱量の増加による蒸気圧の上昇が直線的に上昇するものではなく、放物線状に次第に急に上昇する傾向を示すために採択された構造である。これにより、発熱量が増加して、蒸気圧が急激に上昇するときから前記第２バネ１３２の弾性力が加えられるので、圧力の上昇による移動板１２０の急激な変位を緩和させることができる。その他の構成や作動原理は、前述の実施形態と同じである。
【００３１】
したがって、本実施形態の熱交換器１００’を使用すれば、簡素な構造を有して全体負荷運転時と部分負荷運転時との発熱量差により表れる状況を自動的に調節できるだけでなく、蒸気圧の変化による移動板１２０の急激な変位を防止できるので、さらに安定した制御が可能になる。
【００３２】
一方、前述の実施形態では、蒸気圧の作用領域と弾性力の作用領域とを隔離させるための手段としてＯリング１４０を使用したものを例示したが、それ以外にも、図７のようなダイヤフラム１４１や、図８のようなベローズ・チューブ１４２を使用できるということは言うまでもない。
【００３３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、燃料電池関連の技術分野に幅広く好適に利用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一般的な燃料電池の発電原理を示す図面である。
【図２】従来の熱交換器が採用された燃料電池の構造を示す図面である。
【図３】図２に示す燃料電池のスタック内の流路を示す図面である。
【図４】本発明の一実施形態に係る熱交換器が採用された燃料電池を示す図面である。
【図５Ａ】図４に示す熱交換器の全体負荷運転時の作動状態を示す図面である。
【図５Ｂ】図４に示す熱交換器の部分負荷運転時の作動状態を示す図面である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る熱交換器を示す図面である。
【図７】図４に示す隔離手段の変形可能な例を示す図面である。
【図８】図４に示す隔離手段の変形可能な例を示す図面である。
【符号の説明】
【００３６】
４    セル
４ａ    流路
１０    スタック
１００    燃料電池用熱交換器
１１０    ハウジング
１１１    流入口
１１２    流出口
１１３    通気孔
１２０    移動板
１３０    バネ
１４０    Ｏリング
１５０    流路
【図１】
0005149546.tif 000002
【図２】
0005149546.tif 000003
【図３】
0005149546.tif 000004
【図４】
0005149546.tif 000005
【図５Ａ】
0005149546.tif 000006
【図５Ｂ】
0005149546.tif 000007
【図６】
0005149546.tif 000008
【図７】
0005149546.tif 000009
【図８】
0005149546.tif 000010